基于Ecotect 軟件分析不同材質(zhì)墻體的保溫性能

聶艷妮，徐迅，2，劉倩，余波，段俐伶，王宗浩

（1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；3.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530001；4.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530001）

0 引言

建筑業(yè)是我國能源消耗的一大重點(diǎn)，2018年建筑全過程能耗總量占全國能源消費(fèi)總量的46.5%[1]，建筑業(yè)的節(jié)能潛力最大。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能研究是探索綠色發(fā)展的重要途徑，其中墻體材料的保溫隔熱性能的研究極為重要。目前出現(xiàn)了許多輕質(zhì)、保溫的墻體材料，部分學(xué)者利用DeST-c[2]、有限元[3]及Ecotect Analysis 軟件[4]對不同地區(qū)的墻體材料進(jìn)行了能耗模擬[5-6]，通過解讀這些熱工指標(biāo)，可以有效地對建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和方案改造。而本課題組前期對多孔硫氧鎂混凝土[7]、樹脂透光混凝土[8]的研究發(fā)現(xiàn)這2 種材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱工性能。本文利用Ecotect Anlysis 軟件，將這2 種材料與常見的墻體材料如實(shí)心黏土磚、加氣混凝土砌塊進(jìn)行能耗模擬，探究其保溫隔熱性能的優(yōu)異性。

1 模型建立

1.1 模型建立

本文建立的模型類別為新農(nóng)村自建房，層數(shù)為2 層，2 層結(jié)構(gòu)相同，層高均為3.3 m，橫向跨度11.5 m，縱向跨度10.8 m，建筑總面積190.14 m2。位于四川省綿陽市，屬于夏熱冬冷地區(qū)，氣候條件來源于中國氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫。實(shí)驗(yàn)室模型和可視化視圖模型如圖1、圖2 所示。

圖1 建筑物的3D 模型

圖2 建筑物的可視化模型

1.2 設(shè)置模型參數(shù)

在建立了Ecotect Anlysis 模型后，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置，分別設(shè)置5 種不同材質(zhì)的墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型，即多孔硫氧鎂混凝土、實(shí)心黏土磚、加氣混凝土空心砌塊、導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.306、0.253 W/（m·K）的樹脂透光混凝土，新農(nóng)村自建房模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1、表2。

表1 模型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)[9]

表2 5 種墻體材料參數(shù)[9]

1.3 區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置

區(qū)域?qū)傩栽O(shè)置一般包括了室內(nèi)的人員數(shù)、著衣情況、活動狀態(tài)等參數(shù)，室內(nèi)設(shè)備使用情況，熱環(huán)境屬性設(shè)置即建筑物內(nèi)空調(diào)等使用情況?？紤]到本文主要是比較幾種材質(zhì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對建筑物能耗的相關(guān)情況，所以將5 種材質(zhì)下的區(qū)域?qū)傩郧闆r設(shè)為一致。

新農(nóng)村自建房為民用住宅建筑[10]，室內(nèi)設(shè)置中的人員數(shù)量設(shè)置為4 人，活動為靜坐70 W[11]。人員逐時在室率如表3所示。

表3 人員逐時在室率 %

室內(nèi)得熱情況主要由燈具和小型電器產(chǎn)生，所以需要對設(shè)備使用情況、顯熱得熱、潛熱得熱進(jìn)行設(shè)置。本文的顯熱得熱和潛熱得熱分別設(shè)置為7、3 W/m2[11]，具體設(shè)備使用情況與人員在室活動情況時間表一致。

熱環(huán)境屬性設(shè)置為全空調(diào)系統(tǒng)，設(shè)置空調(diào)使用時間為24 h。舒適溫度范圍為18～26 ℃。

2 熱環(huán)境分析

對于建筑物來說，適宜的室內(nèi)溫濕度是滿足人們工作和生活的基本要求。而室內(nèi)外溫度差和太陽輻射熱是建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要的得失熱源，如果需要保持建筑的室內(nèi)熱穩(wěn)定性，并且節(jié)約能耗，就需要盡可能地減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱流量。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱

Ecotect Anlysis 可以計(jì)算出不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱情況，通過數(shù)據(jù)對比可以分析墻體材料的保溫性能差異。本文采用了最熱日8 月1 日，最冷日1 月24 日及3 月21 日，9 月21 日的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱。

圖3 為8 月1 日室外溫度變化曲線，圖4 為8 月1 日該建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況。

圖3 8 月1 日室外溫度的變化曲線

圖4 8 月1 日圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱

由圖可以看出，從08：00 到17：00，室外氣溫逐漸升高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)熱量在增加，17：00 之后室外溫度有所降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱也隨之降低。從圖4 看出，在一整天的得失熱變化情況中，實(shí)心黏土磚的圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱量較大，總熱量達(dá)到203 105 W·h，樹脂透光混凝土-2 的得失熱量最小，總熱量為177 354 W·h，多孔硫氧鎂混凝土、加氣混凝土砌塊、樹脂透光混凝土-1 的得失熱量相當(dāng)，分別為189 061、185 262、182 156 W·h。故保溫隔熱性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保溫性能最好的為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實(shí)心黏土磚。

圖5 為1 月24 日室外溫度變化曲線，圖6 為1 月24 日該建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況。

圖5 1 月24 日室外溫度的變化曲線

圖6 1 月24 日圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱

由圖5 可見，在這一天中，室外溫度從00：00 到09：00 下降，從09：00 到17：00，室外溫度逐漸升高至最高溫度，接著有小幅度的下降。所以圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱在00：00 到09：00 有大幅度下降，09：00 之后升高。從圖6 中看出，實(shí)心黏土磚的得失熱量仍為最大，達(dá)到-375 883 W·h，樹脂透光混凝土-2稍好于樹脂透光混凝土-1，分別為-298 844、-305 071 W·h，加氣混凝土空心砌塊與多孔硫氧鎂混凝土的保溫隔熱性能相當(dāng)，分別為-333 869、-322 503 W·h。保溫隔熱性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ，保溫性能最好的為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實(shí)心黏土磚。

圖7 為3 月21 日該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況。

圖7 3 月21 日圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱

由圖7 可見，隨著室外溫度的降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失熱量增加，隨著溫度的升高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)得熱量增加。幾種材質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況分別為多空硫氧鎂混凝土：-64 759 W·h，實(shí)心黏土磚：-76 943 W·h，加氣混凝土砌塊：-61 462 W·h，樹脂透光混凝土-1：-55 094 W·h，樹脂透光混凝土-2：-54 601 W·h。故保溫性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保溫性能最好的仍然為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實(shí)心黏土磚。

圖8 為9 月21 日該建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況。

圖8 9 月21 日圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱

由圖8 可見，幾種材質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的得失熱情況分別為多空硫氧鎂混凝土：41 606 W·h，實(shí)心黏土磚：45 702 W·h，加氣混凝土砌塊：40 497 W·h，樹脂透光混凝土-1：39 901 W·h，樹脂透光混凝土-2：38 191 W·h。故保溫性能：SZT-2>SZT-1>JQH>DKL>NTZ。保溫性能最好的仍然為樹脂透光混凝土-2，保溫性能最差的為實(shí)心黏土磚。

2.2 空調(diào)能耗

空調(diào)系統(tǒng)在建筑物中為人們提供舒適的環(huán)境，在外界環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度時會開啟供暖模式，外界溫度高于設(shè)定溫度時，會開啟制冷模式。本文設(shè)定的溫度舒適范圍為18～26 ℃，空調(diào)系統(tǒng)處于長時間的高負(fù)荷運(yùn)行，會產(chǎn)生較大的空調(diào)能耗。對不同墻體材質(zhì)進(jìn)行空調(diào)能耗的分析也可以看出該種墻體材料是否對建筑物節(jié)能有所幫助。本文采用了8 月1日（最熱日）和1 月24 日（最冷日）的空調(diào)能耗進(jìn)行對比分析。圖9 為8 月1 日該建筑空調(diào)能耗情況。

圖9 8 月1 日該建筑的空調(diào)能耗

由圖9 可知，實(shí)心黏土磚的空調(diào)能耗最大，達(dá)到282 829 W·h，其次分別是多孔硫氧鎂混凝土：268 785 W·h，加氣混凝土空心砌塊：264 986 W·h，樹脂透光混凝土-1：261 880 W·h，樹脂透光混凝土-2：257 078 W·h。即06：00 到17：00 室外溫度持續(xù)升高，空調(diào)制冷能耗也不斷升高，18：00 之后，室外溫度降低，空調(diào)制冷能耗下降。

圖10 為1 月24 日該建筑空調(diào)能耗情況。

圖10 1 月24 日該建筑的空調(diào)能耗

由圖10 可見，全天空調(diào)能耗NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。在00：00 到08：00 時間段，隨著溫度的降低，空調(diào)系統(tǒng)供暖能耗逐漸增大，09：00 到18：00 時間段，隨著溫度的上升，空調(diào)系統(tǒng)能耗也逐漸降低。之后溫度再次降低，空調(diào)能耗也再次增大。

2.3 總能耗分析（見表4）

表4 全年空調(diào)總能耗 W·h

從表4 可以看出，該建筑模型5 種圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料中，全年空調(diào)總能耗是NTZ＞DKL＞JQH＞SZT-1＞SZT-2。通過對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)心黏土磚保溫能力最差，2 種樹脂透光混凝土的保溫能力都較好，其中導(dǎo)熱系數(shù)低的樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱效果最佳。

5 種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的逐月空調(diào)能耗如圖11 所示。

圖11 5 種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的逐月空調(diào)能耗

由圖11 可以看出，該建筑模型冬季采暖能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夏季制冷能耗，對其進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)與空調(diào)運(yùn)行時間有關(guān)。在Ecotect Anlysis 的區(qū)域設(shè)置中，對空調(diào)的運(yùn)行時間調(diào)整[情況1（原始情況）空調(diào)運(yùn)行時間為全天；情況2 將空調(diào)運(yùn)行時間調(diào)整為08：00-18：00；情況3 將空調(diào)運(yùn)行時間調(diào)整為18：00-08：00]，其余內(nèi)容不變。由于本次對比的變量為冬季與夏季的能耗，所以僅選取樹脂透光混凝土-2 進(jìn)行計(jì)算。

模擬的結(jié)果如表5 所示。

表5 3 種情況逐月空調(diào)能耗 W·h

由表5 可以發(fā)現(xiàn)，空調(diào)運(yùn)行時間為白天（情況2）時，冬季（12 月、1 月）能耗與夏季（7 月）能耗相差不大。空調(diào)運(yùn)行時間為晚上（情況3）時，夏季能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冬季能耗。即夏季能耗與冬季能耗的差異性體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間上，原因是由于夏季晚上室外溫度在人體舒適度范圍內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體熱傳遞得熱速率降低，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱流量減少，所以空調(diào)能耗也隨之降低。

2.4 熱工性能對能耗的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)是用來度量材料的導(dǎo)熱能力，表示材料在單位面積上允許熱量通過的能力[12]。傳熱系數(shù)越低，說明材料的保溫性能越好。表6 為5 種材料的熱工指標(biāo)。

表6 材料的熱工指標(biāo)

對表6 傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，5 種材料的保溫性能為：加氣混凝土空心砌塊＞樹脂透光混凝土-2＞樹脂透光混凝土-1＞多孔硫氧鎂混凝土＞實(shí)心黏土磚。

但從表4 全年空調(diào)總能耗中可以看出，實(shí)心黏土磚是保溫隔熱性能最差的，樹脂透光混凝土-2 是保溫隔熱性能最好的墻體材料。所以僅從傳熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)判斷保溫性能并不全面，所以引入了其他熱工指標(biāo)來校驗(yàn)本次模擬的正確性。

蓄熱系數(shù)、熱阻和熱惰性指標(biāo)等熱工指標(biāo)也可以評價材料的保溫隔熱性能[13]。它們的計(jì)算公式如下：

式中：S——蓄熱系數(shù)，W/（m2·K）；

T——熱作用周期，T=24；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

c——比熱容，J/（kg·K）；

r0——密度，kg/m3。

式中：R——熱阻，（m2·K）/W；

δ——材料厚度，m。

式中：D——熱惰性指標(biāo)。

分別對多孔硫氧鎂混凝土、實(shí)心黏土磚、加氣混凝土空心砌塊、樹脂透光混凝土進(jìn)行蓄熱系數(shù)、熱阻、熱惰性指標(biāo)的計(jì)算，結(jié)果如表7 所示。

表7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的保溫隔熱性能對比

對于實(shí)際建筑來說，熱惰性指標(biāo)可以評價圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗熱流波和溫度波在材料層間傳播的能力，相較于熱阻只能表示穩(wěn)定傳熱時的抵抗導(dǎo)熱的能力，熱惰性指標(biāo)更能反應(yīng)實(shí)際建筑的保溫隔熱性能，因此熱惰性指標(biāo)可以評價圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體的保溫隔熱性能。熱惰性指標(biāo)越大，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料抵御熱流波和溫度波的能力越好，保溫隔熱性能就越好。從表7 可以看出，5 種材料保溫隔熱性能從高到低分別為：樹脂透光混凝土-2＞樹脂透光混凝土-1＞加氣混凝土空心砌塊＞多孔硫氧鎂混凝土＞實(shí)心黏土磚，與模擬數(shù)據(jù)能耗結(jié)果一致。

3 結(jié)論

（1）5 種材質(zhì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，實(shí)心黏土磚的保溫隔熱能力最差，樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱性能最好，其次依次是樹脂透光混凝土-1、加氣混凝土空心砌塊、多孔硫氧鎂混凝土。

（2）利用導(dǎo)熱系數(shù)不能很好地評價材料的保溫隔熱能力，可對材料進(jìn)行熱惰性指標(biāo)分析，而2 種樹脂透光混凝土中，導(dǎo)熱系數(shù)低的樹脂透光混凝土-2 的保溫隔熱性能更好。

（3）住宅建筑全空調(diào)系統(tǒng)冬季能耗高于夏季能耗，在建筑設(shè)計(jì)時期應(yīng)該加強(qiáng)冬季保溫措施。